一种基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别方法，可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储，并基于主成分分析法计算光谱数据主成分数值；将待检血液的主成分数值的特征向量与动物全血、血浆、血清主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，确定待检血液的血液类型，然后，再将待检血液的主成分数值，与该血液类型下的人与动物不同种属的主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比确定种属，至此，完成待检血液的血液类型与种属的判定。本发明的有益效果是，本发明的血液鉴别仪可适用于全血、血浆及血清的自动识别；鉴别准确性高。
【专利说明】
一种基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种人与动物血液分类仪器及方法，尤其涉及一种基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别方法。
【背景技术】
[0002]目前我国对于血液和其他各类生物材料的海关进出口均采取信用制度，而对各类生物材料的真实性却由于种种原因无法直接检测。特别是涉及血液样品这样的特殊材料，开放式的接触式采样很多时候条件是不被允许的。一方面血液样品可能被检测操作污染；另一方面血液样品自身可能携带的致病因子会对检测人员造成职业暴露。鉴于上述原因，开发血液样品非接触式快速检测技术方法十分急迫。
[0003]人类血液与动物全血主成分相似，主要由血细胞和血浆组成，都呈红色，肉眼难以区别，但人与动物血细胞和血浆的形貌和组成是有细微区别的，选用恰当的方法就可以区分人类血液与动物血液。经典的接触式的检测方法可以检测出部分血液参数，可以根据这些血液参数进行不同种属之间的血液鉴别。目前，商用使用较多的血液鉴别产品大都基于流式细胞术，需进行接触式微采样得到血液的代表种属特性的参数。非接触式血液鉴别是一个极富挑战的课题，因为大部分物种密封在透明试管中的无论是全血还是血清、血浆等样品，其在紫外、可见、红外谱段，对外所反映的光学特性极其相似，在非采样的检测中，依靠光学的手段分辨极其困难。
[0004]首先，试管内封装的血液制品可能含有不同成份的抗凝剂，包括肝素、乙二胺四乙酸盐(EDTA盐)、枸橼酸盐、草酸盐等，此外试管材料可能是石英玻璃或PET塑料等，大部分试管还都贴有标签。这些干扰因素，将严重影响血液的光学性质，使得常用光学及光谱方法在密封试管血液鉴别上无能为力。
[0005]鉴于以上原因，开发一种用于人与动物密封试管血液，包括全血、血清、血浆的非接触式分类鉴别仪器及方法是急需解决的难题。
[0006]针对该问题，本发明提出一种基于可见至中红外超连续漫综合激光光谱的用于密封试管血液样品非接触式鉴别的仪器及方法，采用宽光谱超连续谱激光源及特殊设计的积分球为核心仪器硬件结构，得到不同样品的漫综合激光光谱数据，建立不同物种、不同试管、不同血液的光谱数据库，并基于主成分分析法(principal components analysis，简称PCA)计算这些光谱数据得到主成分分析得分图，在得分图中得到人与动物全血、血浆、血清的聚类区域，将这些区域作为鉴别判断标准进行人与动物试管密封血样非接触鉴别。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种基于可见至中红外超连续漫综合激光光谱的用于密封试管血液样品非接触式鉴别的方法，可进行人与动物全血、血浆及血清的自动识别，满足检测检疫部门对血液制品粗检的需求。
[0008]本发明的技术方案是这样来实现的，基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的硬件系统主要由电源模组、可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、Y形光纤、主控及数据分析系统、积分球、试管机械手、连接杆、导轨、机械手运动控制器、样品室外盖板、底板、支架、光源室外盖板、光纤准直接头、激光器尾纤、超连续谱激光器组成。
[0009]其中，积分球由积分球右半部和积分球左半部两个半球组成，它们通过积分球接头进行联接，并安装固定在底板上。积分球内壁涂覆漫反射涂层，对照射到内壁的光线起漫反射勾光的作用。积分球右半部开有积分球样品孔，样品室外盖板安装在底板及积分球右半部上，形成封闭空间样品室，以消除杂散光的影响。样品室外盖板上方开有圆孔，装卸主轴穿过积分球样品孔及圆孔的中心，并与底板垂直。积分球左半部开有积分球光源孔及积分球光纤接口。
[0010]可见谱段光谱仪与红外谱段光谱仪均采用相同光谱仪光纤接口，Y形光纤一端与积分球光纤接口联接，可收集来自接收光轴的漫反射光线，另两端分别与可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪联接。
[0011 ]超连续谱激光器发出的可见及红外谱段超连续谱脉冲激光经激光器尾纤传输，然后通过光纤准直接头进行光束准直后输出超连续谱脉冲准直激光束，并沿发射光轴穿过积分球光源孔进入积分球。
[0012]光纤准直接头由支架固定在底板上，并通过光源室外盖板与积分球左半部外壳联接，形成封闭空间光源室，以消除杂散光的影响。
[0013]导轨与底板垂直安装，试管机械手通过连接杆与导轨联接并可在机械手运动控制器控制下沿导轨滑动。待检血液由试管盖封装在试管中。试管机械手在机械手运动控制器控制下，可抓紧试管盖并带动试管沿装卸主轴方向上下运动。
[0014]电源模组用以对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系统、超连续谱激光器及机械手运动控制器进行供电。主控及数据分析系统用以对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、超连续谱激光器及机械手运动控制器进行控制，并通过USB接口接收可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的光谱数据进行处理和分析。主控及数据分析系统内含触摸屏人机交互界面，用于与用户的人机交互，接受用户的指令并输出结果给用户。
[0015]基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的血液分析方法其步骤为:
[0016]开启电源模组，对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系统、超连续谱激光器及机械手运动控制器进行供电。
[0017]用户通过触摸屏人机交互界面启动测试主程序。此时，主控及数据分析系统发出进样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手抓取试管进样至其沿装卸主轴方向进入积分球。试管底部位置高于发射光轴且与接收光轴不相交，避免激光束直接照射待检试管，并避免试管的透反射光线直接沿发射光轴传输并被Y形光纤收集。
[0018]主控及数据分析系统发出指令启动超连续谱激光器、可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪。超连续谱激光器输出的超连续谱准直激光束沿发射光轴进入积分球，激光束照射到漫反射涂层后，其反射光为漫反射，即在积分球内沿各方向传输，变成了均匀光线。试管受不同方向的超连续谱光线照射后，试管(注:包括其材质与外贴标签)与待检血液的漫反射、漫透射、吸收、发射后的光线将沿空间任意方向传输，遇到漫反射涂层漫反射至任意方向，其对积分球内的光线传输具有漫综合光谱影响。
[0019]沿发射光轴传输的漫反射光线被Y形光纤收集后，分别送至可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据。可见谱段光谱仪的采样点为Nl = 1300。红外谱段光谱仪的采样点为N2。可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的共N=N1+N2个光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储。并基于主成分分析法(principalcomponents analysis，简称PCA)计算这N个光谱数据的M个主成分数值，进行降维处理，M的值取7，即7个主成分。
[0020]将待检血液的M个主成分数值，得到其在M维主成分空间的特征向量，将该特征向量与M维主成分空间的由本血液鉴别仪获得的人与动物全血、血浆、血清M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度首先确定待检血液的血液类型，即是全血、血浆还是血清。然后，再将待检血液的M个主成分数值，与该血液类型下的人与动物不同种属的M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度再确定种属，即是人还是动物血液，如果是动物血液，是何种动物血液，至此，完成待检血液的血液类型与种属的判定。
[0021]然后，主控及数据分析系统将待检血液的可见红外超连续漫综合激光光谱曲线及判定结果显示在触摸屏人机交互界面上，以供用户参考。主控及数据分析系统发送出样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手带动试管至其沿装卸主轴方向移出积分球及样品室，完成整个测试过程。
[0022]本发明的有益效果是，采用了特殊设计的积分球，无论是血浆、血清透明液体的漫透射，还是全血及试管标签的漫反射，以及整个测试样品的漫吸射及漫发射的宽谱段信号均可接收，即可适用于各类血液、各类材质试管、各类不同抗凝剂以及不同标签情况下的光谱数据均匀采集。采用了可见至中红外高功率超连续谱激光源及对应的双谱段光谱仪，得到宽谱段漫综合激光光谱数据，可对封装血液的细微光学差异进行捕捉，可提高鉴别准确性。由于硬件结构和软件分析的鲁棒性，本发明的血液鉴别仪可适用于全血、血浆及血清的自动识别。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的原理图，图中:I一一电源模组；2—一可见谱段光谱仪;3—一红外谱段光谱仪;4——光谱仪光纤接口 ；5——Y形光纤;6——USB接口；7——主控及数据分析系统;8--积分球光纤接口 ； 9--积分球接头；10--试管机械手；11--连接杆；12--
导轨；13 机械手运动控制器;14 试管盖;15 试管；16 圆孔;17 积分球样品孔；18 样品室外盖板；19 待检血液;20 接收光轴；21 样品室；22 底板；23——积分球右半部；24——漫反射涂层；25——发射光轴；26——积分球左半部；27——光源室；28——积分球光源孔;29——支架；30——光源室外盖板;31——光纤准直接头;32一一激光器尾纤;33一一触摸屏人机交互界面;34一一超连续谱激光器;35一一积分球;36——装卸主轴。
【具体实施方式】
[0024]基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的硬件系统结构如图1所示，硬件系统主要由电源模组1、可见谱段光谱仪2、红外谱段光谱仪3、Y形光纤5、主控及数据分析系统7、积分球35、试管机械手10、连接杆11、导轨12、机械手运动控制器13、样品室外盖板18、底板22、支架29、光源室外盖板30、光纤准直接头31、激光器尾纤32、超连续谱激光器34组成。
[0025]其中，积分球35由积分球右半部23和积分球左半部26两个半球组成，它们通过积分球接头9进行联接，并安装固定在底板22上。积分球35内壁涂覆漫反射涂层24，对照射到内壁的光线起漫反射匀光的作用。积分球右半部23开有积分球样品孔17，样品室外盖板18安装在底板22及积分球右半部23上，形成封闭空间样品室21，以消除杂散光的影响。样品室外盖板18上方开有圆孔16，装卸主轴36穿过积分球样品孔17及圆孔16的中心，并与底板22垂直ο积分球左半部26开有积分球光源孔28及积分球光纤接口 8 (注:本实施例中为SMA905接口)。
[0026]可见谱段光谱仪2与红外谱段光谱仪3均采用相同光谱仪光纤接口4(注:本实施例中为SMA905接口)，Y形光纤5—端与积分球光纤接口 8联接，可收集来自接收光轴20的漫反射光线，另两端分别与可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3联接。
[0027]超连续谱激光器34(注:本实施例中其光谱范围400nm-2400nm，功率1W，重频1MHz，脉宽150ps)发出的可见及红外谱段超连续谱脉冲激光经激光器尾纤32传输，然后通过光纤准直接头31进行光束准直后输出超连续谱脉冲准直激光束，并沿发射光轴25穿过积分球光源孔28进入积分球35。
[0028]光纤准直接头31由支架29固定在底板22上，并通过光源室外盖板30与积分球左半部26外壳联接，形成封闭空间光源室27，以消除杂散光的影响。
[0029]导轨12与底板22垂直安装，试管机械手10通过连接杆11与导轨12联接并可在机械手运动控制器13控制下沿导轨12滑动。待检血液19由试管盖14封装在试管15中。试管机械手10在机械手运动控制器13控制下，可抓紧试管盖14并带动试管15沿装卸主轴36方向上下运动。
[0030]电源模组I用以对可见谱段光谱仪2、红外谱段光谱仪3、主控及数据分析系统7、超连续谱激光器34及机械手运动控制器13进行供电。主控及数据分析系统7用以对可见谱段光谱仪2、红外谱段光谱仪3、超连续谱激光器34及机械手运动控制器13进行控制，并通过USB接口 6接收可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3输出的光谱数据进行处理和分析。主控及数据分析系统7内含触摸屏人机交互界面33，用于与用户的人机交互，接受用户的指令并输出结果给用户。
[0031 ]基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的血液分析方法其步骤为:
[0032]开启电源模组I，对可见谱段光谱仪2、红外谱段光谱仪3、主控及数据分析系统7、超连续谱激光器34及机械手运动控制器13进行供电。
[0033]用户通过触摸屏人机交互界面33启动测试主程序。此时，主控及数据分析系统7发出进样指令给机械手运动控制器13，机械手运动控制器13控制试管机械手10抓取试管15进样至其沿装卸主轴36方向进入积分球35。试管15底部位置高于发射光轴25且与接收光轴20不相交，避免激光束直接照射待检试管15，并避免试管15的透反射光线直接沿发射光轴25传输并被Y形光纤5收集。
[0034]主控及数据分析系统7发出指令启动超连续谱激光器34、可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3。超连续谱激光器34输出的超连续谱准直激光束沿发射光轴25进入积分球35，激光束照射到漫反射涂层24后，其反射光为漫反射，即在积分球35内沿各方向传输，变成了均匀光线。试管15受不同方向的超连续谱光线照射后，试管15(注:包括其材质与外贴标签)与待检血液19的漫反射、漫透射、吸收、发射后的光线将沿空间任意方向传输，遇到漫反射涂层24漫反射至任意方向，其对积分球35内的光线传输具有漫综合光谱影响。
[0035]沿发射光轴25传输的漫反射光线被Y形光纤5收集后，分别送至可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3进行光电转换变成光谱数据。本具体实施例中可见谱段光谱仪2的光谱范围为400-750nm，采样点为附=1300。红外谱段光谱仪3的光谱范围为855-174411111，采样点为N2 = 512。可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3输出的共N=N1+N2个光谱数据经USB接口6送至主控及数据分析系统7进行存储。并基于主成分分析法(principal componentsanalysis，简称PCA)计算这N个光谱数据的M个主成分数值(注:在本实施例中M=7，即计算7个主成分数值)，进行降维处理。
[0036]将待检血液19的M个主成分数值，得到其在M维主成分空间的特征向量，将该特征向量与M维主成分空间的由本血液鉴别仪获得的人与动物全血、血浆、血清M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度首先确定待检血液19的血液类型，即是全血、血浆还是血清。然后，再将待检血液19的M个主成分数值，与该血液类型下的人与动物不同种属的M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度再确定种属，即是人还是动物血液，如果是动物血液，是何种动物血液，至此，完成待检血液19的血液类型与种属的判定。
[0037]然后，主控及数据分析系统7将待检血液19的可见红外超连续漫综合激光光谱曲线及判定结果显示在触摸屏人机交互界面33上，以供用户参考。主控及数据分析系统7发送出样指令给机械手运动控制器13，机械手运动控制器13控制试管机械手10带动试管15至其沿装卸主轴36方向移出积分球35及样品室21，完成整个测试过程。
【主权项】
1.一种基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别方法，该方法是在基于超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪器上实现的，所述的密封血液鉴别仪器包括电源模组(1)、可见谱段光谱仪(2)、红外谱段光谱仪(3)、Y形光纤(5)、主控及数据分析系统(7)、积分球(35)、试管机械手(10)、连接杆(11)、导轨(12)、机械手运动控制器(13)、样品室外盖板(18)、底板(22)、支架(29)、光源室外盖板(30)、光纤准直接头(31 )、激光器尾纤(32)、超连续谱激光器(34);其特征在于密封血液鉴别方法如下: 开启电源模组，对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系统、超连续谱激光器及机械手运动控制器进行供电； 用户通过触摸屏人机交互界面启动测试主程序，此时，主控及数据分析系统发出进样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手抓取试管进样至其沿装卸主轴方向进入积分球;试管底部位置高于发射光轴且与接收光轴不相交，避免激光束直接照射待检试管，并避免试管的透反射光线直接沿发射光轴传输并被Y形光纤收集； 主控及数据分析系统发出指令启动超连续谱激光器、可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪，超连续谱激光器输出的超连续谱准直激光束沿发射光轴进入积分球，激光束照射到漫反射涂层后，其反射光为漫反射，即在积分球内沿各方向传输，变成了均匀光线。试管受不同方向的超连续谱光线照射后，试管、试管外贴标签与待检血液的漫反射、漫透射、吸收、发射后的光线将沿空间任意方向传输，遇到漫反射涂层漫反射至任意方向，其对积分球内的光线传输具有漫综合光谱影响； 沿发射光轴传输的漫反射光线被Y形光纤收集后，分别送至可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据，可见谱段光谱仪的采样点为NI = 1300;红外谱段光谱仪的采样点为Ν2 = 512;可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的共Ν = Ν1+Ν2个光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储，并基于主成分分析法计算这N个光谱数据的M个主成分数值，进行降维处理，M的值取7，即7个主成分； 将待检血液的M个主成分数值，得到其在M维主成分空间的特征向量，将该特征向量与M维主成分空间的由本血液鉴别仪获得的人与动物全血、血浆、血清M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度首先确定待检血液的血液类型，即是全血、血浆还是血清;然后，再将待检血液的M个主成分数值，与该血液类型下的人与动物不同种属的M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度再确定种属，即是人还是动物血液，如果是动物血液，是何种动物血液，至此，完成待检血液的血液类型与种属的判定； 然后，主控及数据分析系统将待检血液的可见红外超连续漫综合激光光谱曲线及判定结果显示在触摸屏人机交互界面上，以供用户参考。主控及数据分析系统发送出样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手带动试管至其沿装卸主轴方向移出积分球及样品室，完成整个测试过程。
【文档编号】G01N21/47GK105842199SQ201610167751
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】万雄, 刘鹏希, 章婷婷, 陈学岗, 张志敏, 张华明
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所